由知識內(nèi)化到外化的遙感專業(yè)實驗課程改革

王英華

（西安電子科技大學(xué) 雷達信號處理全國重點實驗室，陜西 西安 710071）

引言

遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是電子科學(xué)、計算機科學(xué)、統(tǒng)計科學(xué)等多個領(lǐng)域交叉融合產(chǎn)生的一門學(xué)科，在測繪、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等民用領(lǐng)域及目標偵察與識別等軍用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。目前，國內(nèi)很多高校本科教育開設(shè)了遙感專業(yè)相關(guān)的實驗課程，且針對這類課程的建設(shè)研究與改革做了大量的工作［1-5］?，F(xiàn)有的遙感實驗課程研究與改革主要有以下幾個方面：（1）教學(xué)內(nèi)容的改革。例如，以土地利用/土地覆蓋為主重構(gòu)遙感概論課程實驗教學(xué)內(nèi)容［1］，這些研究主要是為了解決現(xiàn)有教材內(nèi)容差異大、實驗內(nèi)容分散缺乏體系等問題。（2）教學(xué)方法的改革。例如，OBE理念結(jié)合PBL方法的遙感實驗課程教學(xué)模式設(shè)計［2］，將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于遙感實驗課［3］等，這些研究主要是為了解決教學(xué)方式單一、無法突出以學(xué)生為中心的教學(xué)等傳統(tǒng)教學(xué)方式所帶來的問題。（3）教學(xué)條件的改革。例如，基于Google Earth Engine建立實驗教學(xué)平臺進行遙感實驗教學(xué)改革與實踐［4］，將虛擬仿真在線實驗教學(xué)引入遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用實驗教學(xué)中［5］等，這些研究是為了解決教學(xué)軟件更新維護難、大量學(xué)生無法身臨其境學(xué)習(xí)實踐等問題。

然而現(xiàn)有研究較少從認知心理學(xué)的角度去分析遙感實驗課從理論到實踐過程中學(xué)生知識的變化過程，并結(jié)合該過程對教學(xué)方式與內(nèi)容進行設(shè)計與改革。在日本學(xué)者提出的知識螺旋模型中，知識通過轉(zhuǎn)化、傳遞和創(chuàng)造實現(xiàn)了動態(tài)、遞進的過程［6］。通過從認知心理學(xué)的角度對知識內(nèi)化和外化的過程進行研究，知識創(chuàng)造的認知模型被提出［7］，該模型的兩個主要方面就是知識內(nèi)化與外化的過程。而遙感實驗課從理論到實踐的整個過程，也體現(xiàn)出了知識內(nèi)化與外化的特點。通過結(jié)合知識內(nèi)化與外化的機理，可將遙感實驗課程劃分為幾個不同的階段，根據(jù)不同階段的特點有針對性地設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式，使其更加符合學(xué)生對知識的認知過程，從而提升教學(xué)效果。

一、知識創(chuàng)造的認識模型

在知識創(chuàng)造的認知模型中，兩個關(guān)鍵的步驟就是知識內(nèi)化與外化。下面對知識內(nèi)化與外化的機理進行簡要介紹。

知識可以看作是一種信息的表達方式。知識內(nèi)化的過程包括了知識的感知、感覺登記、模式識別、短時記憶、長時記憶等幾個主要階段。在知識的感知階段，人腦從外界感知與接受知識。在感覺登記階段，人腦將感知的知識短暫地儲存在大腦中。通過選擇性注意過程，人腦會選擇一部分知識做進一步處理，沒有被注意的知識會迅速消失。在模式識別階段，人腦將感知到的知識與長時記憶系統(tǒng)中的知識進行匹配，實現(xiàn)知識的轉(zhuǎn)換與分析。無法匹配的知識被存儲在短時記憶系統(tǒng)中。短時記憶系統(tǒng)中的知識以某種形式被保存并向長時記憶系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。當外界的信息引起短時記憶系統(tǒng)的加工處理，并從長時記憶系統(tǒng)搜索相關(guān)知識時，知識經(jīng)過了傳遞與加工，最終轉(zhuǎn)化為個人知識與經(jīng)驗，保存在人腦的知識系統(tǒng)中。

在知識的外化過程中，為了解決實際問題，人腦會在它的知識系統(tǒng)中搜索提取相關(guān)知識，對其進行臨時的存儲以及加工處理。

在解決問題的過程中，人腦會基于已有的知識創(chuàng)造出新的知識。隨著知識不斷地積累，長時記憶系統(tǒng)中的知識也在不斷地被重新組織和建構(gòu)。在知識挖掘過程中，人腦通過知識的存儲、搜索與聯(lián)想、知識的提取來實現(xiàn)對實際問題的解決，促使新知識的產(chǎn)生。通過知識挖掘的過程，進一步實現(xiàn)知識的交流與共享，從而迭代促使新知識的產(chǎn)生。這個過程就構(gòu)成了知識創(chuàng)造的認知模型。

二、從知識內(nèi)化到外化的遙感實驗課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式改革

結(jié)合上述知識創(chuàng)造的認知模型，以及知識內(nèi)化與外化的機理，遙感實驗課程從理論學(xué)習(xí)到實踐操作的整個過程可以劃分為知識內(nèi)化與外化兩個過程，如圖1所示。其中，知識內(nèi)化的過程通過兩個階段完成：理論知識的搜索與聯(lián)系，以及科研引導(dǎo)的實驗實踐。知識外化的過程也通過兩個階段完成：綜合性的實驗設(shè)計與實踐，以及結(jié)合行業(yè)應(yīng)用的實驗改進與創(chuàng)新。下面對這四個階段進行具體的介紹，在每一個階段，將結(jié)合該階段的特點設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，并采取合適的教學(xué)方法。

圖1 遙感專業(yè)實驗課程的知識內(nèi)化與外化過程

（一）理論知識的搜索與聯(lián)系

遙感專業(yè)實驗課程一般面向大學(xué)本科三年級學(xué)生開放，是對遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)前期課程的一個綜合運用和實踐課程。實踐的基礎(chǔ)是對前期所學(xué)習(xí)的相關(guān)知識的記憶、存儲、搜索與聯(lián)系能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式通過教師講解相關(guān)知識實現(xiàn)，學(xué)生通過感覺登記將教師講解的知識短暫存儲在大腦中，如果沒有選擇性注意，那么大部分知識就會迅速消失，更無法進行后續(xù)的搜索與聯(lián)系，以及知識的處理。為了使學(xué)生能夠?qū)ο嚓P(guān)的知識進行選擇性注意，并進行后續(xù)的知識轉(zhuǎn)換與分析，該階段適宜于使用翻轉(zhuǎn)課堂［3］的教學(xué)方式。由于相關(guān)的知識學(xué)生之前都已經(jīng)學(xué)習(xí)過，教師在課堂上不再具體講解，而是在進行相關(guān)實驗之前只講解實驗內(nèi)容與目的，通過翻轉(zhuǎn)課堂，由學(xué)生在實驗前，課下完成相關(guān)知識的復(fù)習(xí)。在復(fù)習(xí)過程中，學(xué)生會結(jié)合實驗內(nèi)容與目的對所學(xué)知識進行選擇性的注意，對大腦中存儲的知識進行搜索與聯(lián)系，從而可以加深對相關(guān)知識的理解，激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣，建立實驗所需的知識儲備。

下面以遙感圖像預(yù)處理中的圖像濾波實驗為例，介紹如何利用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式引導(dǎo)學(xué)生完成理論知識的搜索與聯(lián)系。在進行該實驗前，教師簡單講解實驗的內(nèi)容與目的。該實驗的主要內(nèi)容為圖像的空域濾波與頻域濾波，目的是讓學(xué)生了解遙感圖像中存在的噪聲及其對圖像的影響，掌握一些典型的濾波方法，完成遙感圖像的濾波處理。根據(jù)該實驗的內(nèi)容與目的，要求學(xué)生在實驗前完成相關(guān)知識的搜索與聯(lián)系。首先，要求學(xué)生搜索查找該實驗所涉及的知識，包括《概率論》中的知識、《數(shù)字圖像處理》中的知識、《信號與系統(tǒng)》中的知識等。之后，學(xué)生需要將這些知識與實驗內(nèi)容與目的聯(lián)系起來。例如，如何利用《概率論》中的知識仿真噪聲信號，如何利用《數(shù)字圖像處理》中的知識以及《信號與系統(tǒng)》中的知識完成空域與頻域的濾波算法。學(xué)生對知識進行搜索與聯(lián)系，并在課堂上通過PPT展示自己搜索與聯(lián)系的效果，以及所設(shè)計的初步實驗方案。通過該過程加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解。

（二）科研引導(dǎo)的實驗實踐

在傳統(tǒng)的實驗實踐中，學(xué)生根據(jù)教師講解的實驗方案按部就班地完成實驗步驟，無法有效提升學(xué)生自主分析與解決問題的能力。因此，在實驗的實踐過程中，適于借鑒科研滲透式的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與教學(xué)方式［8］。在實驗內(nèi)容設(shè)計方面，結(jié)合具體的遙感科研項目案例設(shè)計遙感專業(yè)實驗內(nèi)容。例如，用于災(zāi)害評估的多時相雷達遙感圖像的變化檢測實驗。在教學(xué)方法方面，宜采用以學(xué)生為主體的啟發(fā)式教學(xué)［9］，引導(dǎo)學(xué)生通過實踐去體會科研的樂趣，包括如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題等。在這個過程中，學(xué)生對大腦中儲備的知識進行加工與處理，建立了相關(guān)的經(jīng)驗，完成了知識的內(nèi)化，提升了學(xué)生分析問題與解決問題的能力。

下面以多時相雷達遙感圖像的變化檢測實驗為例，介紹如何通過科研引導(dǎo)實驗實踐。首先，在實驗內(nèi)容的設(shè)計上，結(jié)合了遙感領(lǐng)域的雷達圖像變化檢測科研方向。教師可以通過該題目向?qū)W生介紹相關(guān)的科研進展，擴大學(xué)生的視野，加強與實際應(yīng)用的聯(lián)系。其次，在實驗進行的過程中，引導(dǎo)學(xué)生使用科研的方法來完成實踐。通過提問的方式啟發(fā)學(xué)生尋找其中的本質(zhì)問題，即變化檢測實際上是要解決一個什么樣的問題。問題搞清楚之后，再引導(dǎo)學(xué)生對該問題進行分析。例如，如何將問題分解，如何設(shè)計實驗的方案與流程。最后，引導(dǎo)學(xué)生通過編程來解決該問題，即如何根據(jù)實驗方案與流程來實現(xiàn)程序的編寫與調(diào)試，以及實驗結(jié)果的分析。

（三）綜合性的實驗設(shè)計與實踐

通過前面兩個階段，可以幫助學(xué)生完成所需的知識儲備，并以科研的方法使學(xué)生通過實踐建立了一定的經(jīng)驗與能力，在此基礎(chǔ)上，需要進一步讓學(xué)生學(xué)會綜合利用已有的知識與經(jīng)驗，將其外化為綜合性的實驗方案。教師在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上，應(yīng)設(shè)計綜合性的實驗題目。例如，雷達遙感圖像的目標檢測與識別實驗，其中涉及圖像的預(yù)處理、目標檢測、特征提取、分類等多個階段。同時，要讓學(xué)生充分發(fā)揮自我思考、自我啟發(fā)、團隊協(xié)作、深入探討的能力。因此，該階段適宜于采用互動式的教學(xué)方法［10］。通過自由討論、方案設(shè)計、方案展示、教師點評、方案完善、方案實踐等多個環(huán)節(jié)對學(xué)生綜合運用理論知識與經(jīng)驗解決實際問題的能力進行培養(yǎng)。

（四）結(jié)合行業(yè)應(yīng)用的實驗改進與創(chuàng)新

通過前面三個階段，幫助培養(yǎng)學(xué)生將已有的知識與經(jīng)驗外化為綜合性的實驗方案。為了進一步提升該外化能力，可采取校企聯(lián)合的教學(xué)方式［11］，借助于校外資源，讓學(xué)生更加直觀地了解行業(yè)應(yīng)用。例如，遙感領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)研發(fā)的商用遙感處理軟件，去幫助學(xué)生對綜合性實驗方案進行實踐與對比，啟發(fā)他們進一步進行改進與創(chuàng)新，完成知識的外化，促進知識的創(chuàng)新，從而具備初步的從事相關(guān)領(lǐng)域科研與工作的基本能力。

下面給出一個結(jié)合行業(yè)應(yīng)用的校企聯(lián)合教學(xué)的示例。在我校2018級與2019級本科遙感專業(yè)實驗課程的教學(xué)過程中，邀請了航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司［12］的專家為學(xué)生線上講解行業(yè)應(yīng)用案例以及PIE遙感處理軟件。通過該教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式，促使學(xué)生更加直觀地了解行業(yè)應(yīng)用，同時將所完成的實驗實踐與專業(yè)軟件的處理過程進行對比，發(fā)現(xiàn)實踐中存在的不足，從而啟發(fā)他們進一步改進與創(chuàng)新。

三、遙感專業(yè)實驗課程改革成效與進一步思考

結(jié)合知識創(chuàng)造的認知模型，對遙感專業(yè)實驗課程進行了階段分解與分析，針對每個階段的特點，探索了相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革方案。在我校2018級與2019級本科遙感專業(yè)學(xué)生教學(xué)中，對課程改革的效果進行了匿名調(diào)研。首先，對部分教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式的改革效果進行了調(diào)研。在2018級學(xué)生中，邀請了企業(yè)專家參與教學(xué)，為學(xué)生講解PIE遙感處理軟件，對該教學(xué)內(nèi)容是否擴大了學(xué)生視野、學(xué)生對所學(xué)知識與實際應(yīng)用的關(guān)系是否有了更直觀深入地了解進行了匿名調(diào)研，總共有31名學(xué)生參加了調(diào)研，其中30名學(xué)生選擇“是”，說明該教學(xué)內(nèi)容的改革有助于擴大學(xué)生視野，幫助學(xué)生更好地將所學(xué)知識與實際應(yīng)用聯(lián)系起來。在2019級學(xué)生的遙感圖像分類實驗中，在第一階段的理論知識的搜索與聯(lián)系中，采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式，對該教學(xué)方式的效果進行了匿名調(diào)研，總共有30名學(xué)生參加了調(diào)研，其中有60%的學(xué)生認為通過該方式，對知識的理解更加深入透徹。其次，對改革的整體教學(xué)效果進行了調(diào)研。在2018級學(xué)生的匿名調(diào)研結(jié)果中，大部分同學(xué)認為通過該課程的學(xué)習(xí)，對基礎(chǔ)知識有了更深入的理解，實踐能力得到了提升。

結(jié)合知識創(chuàng)造的認知模型，本文對本科遙感專業(yè)實驗課程的改革進行了探索，為提升遙感專業(yè)實驗課程的教學(xué)效果提供了一定的參考。部分教學(xué)內(nèi)容或方式的改革還可以進一步深入。例如，校企聯(lián)合的方式還不夠深入，后期可以進一步探索更加深入有效的聯(lián)合方式。未來結(jié)合新的科研方向與新的教學(xué)方法，對于遙感專業(yè)實驗課程的改革研究還可以做進一步探索。